Fysiikan taideteos

fysiikka Tuhansia miljardeja lumihiutaleita sataa maailmassa joka sekunti. Kukin hiutale on yksilöllinen ja kuljettaa kiderakenteessaan viestiä olosuhteista, joissa se on muodostunut.

Lunta syntyy pilvessä, jossa suhteellinen kosteus nousee yli sadan prosentin ja lämpötila on alle nollan. Näissä oloissa vesihöyry tavallisesti tiivistyisi ja jäätyisi. Puhtaassa vesihöyryssä vesimolekyylit eivät kuitenkaan onnistu liittymään toisiinsa niin, että syntyisi vettä.

Lumikiteen muodostuminen alkaakin vasta, kun pakkasen puolella oleva vesihöyry löytää pienenpienen pölyhiukkasen tai muun epäpuhtauden tiivistymis­ytimeksi. Ytimen ympärille kertyy pieni alkukide, johon härmistyy lisää kosteutta ympäristöstä, ja näin alkaa kasvu kohti lumihiutaletta.

Lumihiutale ja lumikide on syytä erottaa toisistaan. Hiutaleet muodostuvat usein monesta lumikiteestä, jotka ovat törmänneet ja tarttuneet toisiinsa. Hiutaleet voivat olla jopa monen senttimetrin kokoisia, epämääräisen muotoisia hattaroita.

Yksittäinen lumikide sen sijaan yltää vain muutaman millimetrin kokoiseksi. Se toistaa aina tavalla tai toisella vesi­molekyylien ominaisuuksista johtuvaa kuusikulmaista muotoa (kts. oheinen grafiikka).

Syntyolosuhteet osin arvoitus

Lumikiteiden kuusikulmaisuus ilmenee kymmenissä eri muodoissa. Tähtimäisen, kuusisakaraisen lumihiutaleen tuntevat kaikki, mutta kide voi saada myös monia neulamaisia tai laattamaisia muotoja tai näiden yhdistelmiä.

Se, miksi lumikiteet muotoutuvat erityyppisiksi erilaisissa olosuhteissa, on edelleen arvoitus. Syy piilee todennäköisesti kiteen pintarakenteessa ja sen vuorovaikutuksissa ympäristön kanssa, mutta tutkimusta lumikiteen kasvun yksityiskohdista tarvitaan vielä lisää. Lumikiteen ymmärtäminen voi avata väyliä myös muiden kiteisten aineiden käyttäytymisen selvittämiseen.

Merkittävimmät lumikiteen muotoon vaikuttavat tekijät ovat joka tapauksessa ympäristön kosteus ja lämpötila. Runsaassa kosteudessa sakaraiset muodot kasvavat vauhdikkaimmin, ­kuivemmassa taas laattamaiset.

Lämpötilan ollessa nollan lähellä kiteistä kasvaa laattoja ja tähtiä, mutta jo viiden asteen pakkasessa lähinnä neuloja tai paksumpia pilareita. Kymmenen ja kahdenkymmenen miinusasteen välillä on taas otolliset olosuhteet isojen tähtimäisten kiteiden synnylle, ja sitä kylmemmässä tavataan lähinnä pilareita ja laattoja.

Myös kiteen koosta ja muodosta riippuu, miten kasvu etenee. Kiteen nurkat ja ulos pilkistävät haarat kasvavat tasaisia särmiä nopeammin, jos ulompana on tarjolla kosteampaa ilmaa. Näin tapahtuu etenkin suurilla kiteillä, jotka keräävät merkittävän osan lähiympäristönsä vesihöyrystä itseensä. Ulos pilkistävien osien kasvu ruokkii itseään, ja pienistä epätasaisuuksista versoo yhä uusia sivuhaaroja.

Pienen kiteen ympäristössä kosteuden­vaihtelut tasoittuvat nopeasti, joten niiden särmät laajenevat yleensä ­tasaisesti. Sopivan niukassa kosteudessa haaroittumista ei välttämättä tapahdu lainkaan, vaan kide kasvaa levymäiseksi.

Juuri tämä olosuhteiden ohjaama tasapainoilu äärialueiden nopean kasvun ja särmien tasaisen laajenemisen välillä tekee lumikiteistä hämmästyttävän ­moni-ilmeisiä.

Kaikki erilaisia

Yksittäinen lumikide voi olla lähes täydellisen symmetrinen. Kiteen reunat ja sakarat eivät kuitenkaan viesti keskenään kasvua säädellen, vaan symmetrinen ulkonäkö kertoo vain kasvuolosuhteiden olleen samanlaiset joka puolella kidettä.

Yleensä olosuhteet riepottelevat kiteitä niin, että niistä tulee enemmän tai vähemmän muotopuolia. Sopusuhtaisen kiteen löytääkseen voi joutua käymään läpi satoja hiutaleita.

Laboratoriossa symmetristen kiteiden tuottaminen onnistuu kyllä, ja hallituissa oloissa voidaan luoda jopa lähes identtisiä yksilöitä. Kahden täysin samanlaisen hiutaleen syntyminen on kuitenkin äärimmäisen epätodennäköistä, vaikka kasvuolosuhteet olisivat miten tasaiset tahansa. Lumikide nimittäin koostuu miljardeista, joskus jopa miljoonista miljardeista vesimolekyyleistä, jotka voivat järjestyä lukemattomilla eri tavoilla. Mahdollisia kasvupolkuja on paljon enemmän kuin maailmankaikkeudessa atomeja.